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Java實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)的推薦方案分享

更新時間：2021年11月17日 10:33:43 作者：明明如月學(xué)長

有限狀態(tài)機(jī)又稱有限狀態(tài)自動機(jī),簡稱狀態(tài)機(jī),是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型,這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Java實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)的推薦方案,需要的朋友可以參考下

一、背景

平時工作開發(fā)過程中，難免會用到狀態(tài)機(jī)（狀態(tài)的流轉(zhuǎn)）。

如獎學(xué)金審批流程、請假審批流程、競標(biāo)流程等，都需要根據(jù)不同行為轉(zhuǎn)到不同的狀態(tài)。

下面是一個簡單的模擬狀態(tài)機(jī)：

有些同學(xué)會選擇將狀態(tài)定義為常量，使用 if else 來流轉(zhuǎn)狀態(tài)，不太優(yōu)雅。

有些同學(xué)會考慮將狀態(tài)定義為枚舉。

但是定義為枚舉之后，大多數(shù)同學(xué)會選擇使用 switch 來流轉(zhuǎn)狀態(tài)：

import lombok.Getter;

public enum State {

    STATE_A("A"),
    STATE_B("B"),
    STATE_C("C"),
    STATE_D("D");

    @Getter
    private final String value;

    State(String value) {
        this.value = value;
    }

    public static State getByValue(String value) {
        for (State state : State.values()) {
            if (state.getValue().equals(value)) {
                return state;
            }
        }
        return null;
    }

    /**
     * 批準(zhǔn)后的狀態(tài)
     */
    public static State getApprovedState(State currentState) {
        switch (currentState) {
            case STATE_A:
                return STATE_B;
            case STATE_B:
                return STATE_C;
            case STATE_C:
                return STATE_D;
            case STATE_D:
            default:
               throw new IllegalStateException("當(dāng)前已終態(tài)");
        }

    }

    /**
     * 拒絕后的狀態(tài)
     */
    public static State getRejectedState(State currentState) {
        switch (currentState) {
            case STATE_A:
                throw new IllegalStateException("當(dāng)前狀態(tài)不支持拒絕");
            case STATE_B:
            case STATE_C:
            case STATE_D:
            default:
                return STATE_A;
        }
    }
}

上面這種寫法有幾個弊端：

（1） getByValue 每次獲取枚舉值都要循環(huán)一次當(dāng)前枚舉的所有常量，時間復(fù)雜度是
O(N)，雖然耗時非常小，但總有些別扭，作為有追求的程序員，應(yīng)該盡量想辦法優(yōu)化掉。

(2) 總感覺使用 switch-case 實(shí)現(xiàn)狀態(tài)流轉(zhuǎn)，更多的是面向過程的產(chǎn)物。雖然可以實(shí)現(xiàn)功能，但沒那么“面向?qū)ο蟆?，既?State 枚舉就是用來表示狀態(tài)，如果同意和拒絕可以通過 State 對象的方法獲取就會更直觀一些。

二、推薦方式

2.1 自定義的枚舉

通常狀態(tài)流轉(zhuǎn)有兩種方向，一種是贊同，一種是拒絕，分別流向不同的狀態(tài)。

由于本文討論的是有限狀態(tài)，我們可以將狀態(tài)定義為枚舉比較契合，除非初態(tài)和終態(tài)，否則贊同和拒絕都會返回一個狀態(tài)。

下面只是一個DEMO，實(shí)際編碼時可以自由發(fā)揮。

該 Demo 的好處是：

1 使用 CACHE緩存，避免每次通過 value 獲取 State都循環(huán) State 枚舉數(shù)組

2 定義【同意】和【拒絕】抽象方法，每個 State 通過實(shí)現(xiàn)該方法來流轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3 狀態(tài)的定義和轉(zhuǎn)換都收攏在一個枚舉中，更容易維護(hù)

雖然代碼看似更多一些，但是更“面向?qū)ο蟆币恍?/p>

package basic;

import lombok.Getter;

import java.util.Arrays;
import java.util.Map;
import java.util.function.Function;
import java.util.stream.Collectors;

public enum State {
    /**
     * 定義狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)同意和拒絕的流轉(zhuǎn)
     */
    STATE_A("A") {
        @Override
        State getApprovedState() {
            return STATE_B;
        }

        @Override
        State getRejectedState() {
            throw new IllegalStateException("STATE_A 不支持拒絕");
        }
    },
    STATE_B("B") {
        @Override
        State getApprovedState() {
            return STATE_C;
        }

        @Override
        State getRejectedState() {
            return STATE_A;
        }
    },
    STATE_C("C") {
        @Override
        State getApprovedState() {
            return STATE_D;
        }

        @Override
        State getRejectedState() {
            return STATE_A;
        }
    },
    STATE_D("D") {
        @Override
        State getApprovedState() {
             throw new IllegalStateException("當(dāng)前已終態(tài)");
        }

        @Override
        State getRejectedState() {
            return STATE_A;
        }
    };

    @Getter
    private final String value;

    State(String value) {
        this.value = value;
    }

    private static final Map<String, State> CACHE;

    static {
        CACHE = Arrays.stream(State.values()).collect(Collectors.toMap(State::getValue, Function.identity()));
    }

    public static State getByValue(String value) {
        return CACHE.get(value);
    }

    /**
     * 批準(zhǔn)后的狀態(tài)
     */
    abstract State getApprovedState();

    /**
     * 拒絕后的狀態(tài)
     */
    abstract State getRejectedState();
}

測試代碼

package basic;

import static basic.State.STATE_B;

public class StateDemo {
    public static void main(String[] args) {
        State state = State.STATE_A;

        // 一直贊同
        State approvedState;
        do {
            approvedState = state.getApprovedState();
            System.out.println(state + "-> approved:" + approvedState);
            state = approvedState;
        } while (state != State.STATE_D);


        // 獲取某個狀態(tài)的贊同和拒絕后的狀態(tài)
        System.out.println("STATE_B approved ->" + STATE_B.getApprovedState());
        System.out.println("STATE_C reject ->" + State.getByValue("C").getRejectedState());
        System.out.println("STATE_D reject ->" + State.getByValue("D").getRejectedState());
    }
}

輸出結(jié)果：

STATE_A-> approved:STATE_B
STATE_B-> approved:STATE_C
STATE_C-> approved:STATE_D
-----
STATE_B approved ->STATE_C
STATE_C reject ->STATE_A
STATE_D reject ->STATE_A

本質(zhì)上通過不同的方法調(diào)用實(shí)現(xiàn)自身的流轉(zhuǎn)，而且贊同和拒絕定義為抽象類，可以“強(qiáng)迫”讓狀態(tài)的定義方明確自己的狀態(tài)流轉(zhuǎn)。

整體邏輯比較內(nèi)聚，狀態(tài)的定義和流轉(zhuǎn)都在 State 類中完成。

2.2 外部枚舉

假如該枚舉是外部提供，只提供枚舉常量的定義，不提供狀態(tài)流轉(zhuǎn)，怎么辦？

我們依然可以采用 switch 的方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)流轉(zhuǎn):

import static basic.State.*;

public class StateUtils {
    /**
     * 批準(zhǔn)后的狀態(tài)
     */
    public static State getApprovedState(State currentState) {
        switch (currentState) {
            case STATE_A:
                return STATE_B;
            case STATE_B:
                return STATE_C;
            case STATE_C:
                return STATE_D;
            case STATE_D:
            default:
            throw new IllegalStateException("當(dāng)前已經(jīng)是終態(tài)");
        }

    }

    /**
     * 拒絕后的狀態(tài)
     */
    public static State getRejectedState(State currentState) {
        switch (currentState) {
            case STATE_A:
                throw new IllegalStateException("當(dāng)前狀態(tài)不支持拒絕");
            case STATE_B:
            case STATE_C:
            case STATE_D:
            default:
                return STATE_A;
        }
    }
}

還有更通用、更容易理解的編程方式呢（不用 switch）？

狀態(tài)機(jī)的每次轉(zhuǎn)換是一個 State 到另外一個 State 的映射，每個狀態(tài)都應(yīng)該維護(hù)贊同和拒絕后的下一個狀態(tài)。

因此，我們很容易會聯(lián)想到使用【鏈表】來存儲這種關(guān)系。

由于這里是外部枚舉，無法將狀態(tài)流轉(zhuǎn)在枚舉內(nèi)部完成（定義），就意味著我們還需要自定義狀態(tài)節(jié)點(diǎn)來表示流轉(zhuǎn)，如：

import lombok.Data;

@Data
public class StateNode<T> {

    private T state;

    private StateNode<T> approveNode;

    private StateNode<T> rejectNode;
}

這樣構(gòu)造好鏈表以后，還需在工具類中要構(gòu)造 State 到 StateNode 的映射（因?yàn)閷τ谕獠縼碚f，只應(yīng)該感知 State 類，不應(yīng)該再去理解 StateNode ) , 提供贊同和拒絕方法，內(nèi)部通過拿到贊同和拒絕對應(yīng)的 StateNode 之后拿到對應(yīng)的 State 返回即可。

偽代碼如下：

public class StateUtils{

// 構(gòu)造 StateNode 鏈表，和構(gòu)造 cache Map 略
private Map<State, StateNode<State>> cache ;

	public State getApproveState(State current){
		StateNode<State> node = cache.get(current);
		return node == null? null: return node.getApproveNode().getState();
	}

public State getRejectState(State current){
		StateNode<State> node = cache.get(current);
		return node == null? null: return node.getRejectNode().getState();
	}

}

整體比較曲折，不如直接將贊同和拒絕定義在 State 枚舉內(nèi)更直觀。

下面給出一種 “狀態(tài)鏈模式” 的解決方案。

贊同和拒絕底層分別使用兩個 Map 存儲。

為了更好地表達(dá)每次狀態(tài)的方向（即 Map 中的 key 和 value），每一個映射定義為 from 和 to 。

為了避免只有 from 沒有 to ，定義一個中間類型 SemiData，只有調(diào)用 to 之后才可以繼續(xù)鏈?zhǔn)骄幊滔氯?，最終構(gòu)造出狀態(tài)鏈。

以下結(jié)合 Map 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合升級版的 Builder 設(shè)計模式，實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)骄幊?/u>：

package basic;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class StateChain<T> {

    private final Map<T, T> chain;

    private StateChain(Map<T, T> chain) {
        this.chain = chain;
    }


    public T getNextState(T t) {
        return chain.get(t);
    }

    public static <V> Builder<V> builder() {
        return new Builder<V>();
    }


    static class Builder<T> {

        private final Map<T, T> data = new HashMap<>();


        public SemiData<T> from(T state) {
            return new SemiData<>(this, state);
        }


        public StateChain<T> build() {
            return new StateChain<T>(data);
        }

        public static class SemiData<T> {
            private final T key;
            private final Builder<T> parent;

            private SemiData(Builder<T> builder, T key) {
                this.parent = builder;
                this.key = key;
            }

            public Builder<T> to(T value) {
                parent.data.put(key, value);
                return parent;
            }
        }
    }

}

使用案例：

package basic;

import static basic.State.*;

public class StateUtils {

    private static final StateChain<State> APPROVE;
    private static final StateChain<State> REJECT;

    static {
        APPROVE = StateChain.<State>builder().from(STATE_A).to(STATE_B).from(STATE_B).to(STATE_C).from(STATE_C).to(STATE_D).build();
        
        REJECT = StateChain.<State>builder().from(STATE_B).to(STATE_A).from(STATE_C).to(STATE_A).from(STATE_D).to(STATE_A).build();
    }

    /**
     * 批準(zhǔn)后的狀態(tài)
     */
    public static State getApprovedState(State currentState) {
         State next = APPROVE.getNextState(currentState);
         if(next == null){
            throw new IllegalStateException("當(dāng)前已經(jīng)終態(tài)");
         }
         return next;
    }

    /**
     * 拒絕后的狀態(tài)
     */
    public static State getRejectedState(State currentState) {
        State next =  REJECT.getNextState(currentState);
         if(next == null){
            throw new IllegalStateException("當(dāng)前狀態(tài)不支持駁回");
         }
         return next;
    }
}

測試方法

import static basic.State.STATE_B;

public class StateDemo {

    public static void main(String[] args) {
        State state = State.STATE_A;

        // 一直贊同
        State approvedState;
        do {
            approvedState = StateUtils.getApprovedState(state);
            System.out.println(state + "-> approved:" + approvedState);
            state = approvedState;
        } while (state != State.STATE_D);
        
        System.out.println("-------");

        // 獲取某個狀態(tài)的贊同和拒絕后的狀態(tài)
        System.out.println("STATE_B approved ->" + StateUtils.getApprovedState(STATE_B));
        System.out.println("STATE_C reject ->" + StateUtils.getRejectedState(State.getByValue("C")));
        System.out.println("STATE_D reject ->" + StateUtils.getRejectedState(State.getByValue("D")));
    }
}

輸出結(jié)果

STATE_A-> approved:STATE_B
STATE_B-> approved:STATE_C
STATE_C-> approved:STATE_D
----
STATE_B approved ->STATE_C
STATE_C reject ->STATE_A
STATE_D reject ->STATE_A

這種方式更加靈活，可定義多條狀態(tài)鏈，實(shí)現(xiàn)每個鏈的狀態(tài)各自流轉(zhuǎn)。而且性能非常好。

巧妙地將狀態(tài)的轉(zhuǎn)換定義和 Map 的定義合二為一，既能夠表意（from,to 比較明確），又能獲得很好的性能（獲取贊同和拒絕后的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為
通過 key 取 Map 中的 value ），還有不錯的編程體驗(yàn)（鏈?zhǔn)骄幊蹋?/p>

以上只是 DEMO，實(shí)際編碼時，可自行優(yōu)化。

可能還有一些開源的包提供狀態(tài)機(jī)的功能，但核心原理大同小異。

三、總結(jié)

本文結(jié)合自己的理解，給出一種推薦的有限狀態(tài)機(jī)的寫法。

給出了自有狀態(tài)枚舉和外部狀態(tài)枚舉的解決方案，希望對大家有幫助。

通過本文，大家也可以看出，簡單的問題深入思考，也可以得到不同的解法。

希望大家不要滿足現(xiàn)有方案，可以靈活運(yùn)用所學(xué)來解決實(shí)踐問題。

到此這篇關(guān)于Java實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)的推薦方案的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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